Sao tối (Dark Star) sẽ đánh dấu kỷ nguyên mới trong thiên văn học

Loại ngôi sao kỳ lạ được cung cấp năng lượng bởi sức nóng của vật chất tối (dark matter) được gọi là sao tối (Dark Star).

Hiện nay, kính viễn vọng không gian Webb có thể chứng minh sự tồn tại của những ngôi sao tối này.

Theo các nhà thiên văn học, nếu thiếu các Dark Star (ngôi sao tối) này trong phương trình vũ trụ thì mọi thứ sẽ không ăn khớp với nhau. Tìm hiểu về cách hình thành các Dark Star này sẽ giúp hiểu rõ hơn về vị trí của chúng ta trong vũ trụ.

Khái niệm Dark Star đã được giới thiên văn học đề xuất từ năm 2007 và tiếp tục được nghiên cứu cho tới nay. Ở thời điểm hiện tại, Kính viễn vọng Không gian James Webb ( JWST) có thể chứng minh sự tồn tại của các ngôi sao tối này.

Vũ trụ cổ đại rất khác so với ngày nay. Một số nhà thiên văn học tin rằng trước khi thiên hà của chúng ta hình thành và hệ mặt trời trong dải ngân hà Milky Way của chúng ta tồn tại, thì có rất nhiều sao tối.

Theo lý thuyết, các ngôi sao tối được đổ đầy năng lượng do sức nóng của vật chất tối (dark matter) tạo ra. Nguồn năng lượng này sẽ ngăn các ngôi sao tối biến thành sao hiện đại (ngôi sao sáng, cháy được cung cấp năng lượng nhờ phản ứng tổng hợp hạt nhân). Thay vào đó, Dark Star trở thành những đám mây phân tử hydro và heli khổng lồ.

Ảnh minh họa về một siêu hố đen tại trung tâm của một dải ngân hà (Nguồn ảnh: NASA)

Nếu những Dark Star này vẫn còn tồn tại cho tới ngày nay, những ngôi sao này sẽ quá lạnh và tối để có thể dễ dàng phát hiện ra. Chỉ có sự phát xạ tia gamma, neutrino và phản vật chất hoặc có lẽ khí hydro phân tử lạnh mới tiết lộ sự tồn tại của các Dark Star này,

Một nghiên cứu trên tạp chí Viện hàn lâm Khoa học quốc gia Mỹ (PNAS) chỉ ra, nhờ kính viễn vọng không gian James Webb, chúng ta có thể xác định được 3 thực thể rất có thể là những ngôi sao tối còn sót lại.

Nhà vật lý lý thuyết Kinda Freese (nữ giáo sư giảng dạy tại trường Đại học Texas và Đại học Stockholm) đã nghiên cứu về vật chất tối kể từ những năm 1980.

Trong một bài báo năm 2008 trên tạp chí vật lý Physical Review Letters, bà và các đồng nghiệp đã đưa ra giả thuyết về “giai đoạn mới của quá trình tiến hóa sao”, trong đó những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ mát hơn nhiều và được cung cấp năng lượng nhờ vật chất tối.

Một trong những lý thuyết hàng đầu về vật chất tối là hạt WIMP (hạt có khối lượng tương tác yếu). Khi hai hạt WIMP va chạm, chúng có thể triệt tiêu lẫn nhau và biến thành các hạt khác.

Điều này tạo một dạng năng lượng khác so với quá trình nhiệt hạch cung cấp năng lượng cho các ngôi sao hiện đại (bao gồm cả các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta) trong đó các nguyên tử hydro kết hợp dưới nhiệt độ và áp suất cực cao để tạo thành helium.

Trước đó, chưa có bằng chứng nào ủng hộ lý thuyết về các Dark Star cho tới khi kính viễn vọng James Webb ra đời và quan sát được vũ trụ xa xôi.

Trở lại năm 2007, giáo sư Kinda Freese cùng đồng tác giả Cosmin Ilie (một sinh viên tốt nghiệp của bà tại Đại học Michigan) đã xác định hình dạng của một ngôi sao tối và công bố trên tạp chí Kính viễn vọng vũ trụ James Webb (James Webb Space Telescope – JWST) của NASA. Khi đó, kính viễn vọng có đủ dữ liệu để kiểm tra lý thuyết về vật chất tối và sự hình thành của các ngôi sao tối này.

“Kính viễn vọng James Webb đã tìm thấy khoảng 700 vật thể dịch chuyển quang phổ đỏ cao (nghĩa là hình thành rất sớm trong vũ trụ)”, GS. Kinda Freese nói. “Một trong những thiết bị của kính viễn vọng Webb đã có thể đo được quang phổ của 9 vật thể, do đó chứng minh những ngôi sao này hình thành từ thuở sơ khai của vũ trụ.

Cuối cùng, giáo sư Kinda Freese cho biết có 3 trong số này phù hợp với dự đoán của nhóm nghiên cứu về các ngôi sao tối.

3 ngôi sao tối này được xác định là JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 và JADES-GS-z11-0. Các Dark Star này sẽ đánh dấu một kỷ nguyên mới trong thiên văn học.

Việc phát hiện ra một loại sao mới (được tạo thành từ hydro và heli nhưng do vật chất tối cung cấp năng lượng) sẽ là một bước tiến lớn để mở ra kiến thức về thuở hồng hoang của vũ trụ.

Nhóm nghiên cứu gồm các nhà thiên văn học Freese, Ilie và Jillian Pauline từ Đại học Colgate cho rằng các ngôi sao tối không được thắp sáng bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân mà sẽ nặng hơn nhiều so với hầu hết các ngôi sao.

Các ngôi sao tối này lớn tới mức trông có thể giống như thiên hà khi quan sát từ kính viễn vọng đặt tại trái đất.

Các nhà nghiên cứu cũng lập luận rằng các ngôi sao tối sụp đổ thành các siêu hố đen khi già đi. Điều này lý giải tại sao có rất nhiều hố đen trong vũ trụ.

“Vụ nổ Big Bang xảy ra cách đây 13,8 tỷ năm. Vì vậy, chúng tôi đang tìm kiếm lại những thiên hà trẻ nhất ở thuở sơ khai vũ trụ. “, TS. Michelle Thaller – một nhà khoa học của NASA chia sẻ.

“James Webb là kính viễn vọng duy nhất có khả năng nhìn đủ xa trong vũ trụ để khám phá các ngôi sao tối.”, GS. Kinda Freese cho biết. Bên cạnh đó, nhà khoa học cũng chia sẻ một số kính thiên văn khác cũng đang được phát triển nhằm ghi lại hình ảnh vũ trụ, chẳng hạn như ROMAN và EUCLID.

“Tất cả những gì chúng ta biết chắc chắn là các vật thể đã được kính viễn vọng Webb tìm thấy là những vật thể hình thành sớm nhất trong vũ trụ.”, GS. Freese kết luận.